Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử cho phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực

Trong xu thế hiện nay, nền kinh tế thị trường việc nâng cao chất lượng công nghiệp đóng vai trò quang trọng.

- 1 - LỜI NÓI ĐẦU Trong xu thế hiện nay, nền kinh tế thị trường việc nâng cao chất lượng công nghiệp đóng vai trò quang trọng. Để đạt được mục đích ấy đòi hỏi phải có những con người hiện đại làm chủ được mọi công nghệ và nơi sản sinh ra những con người đó là các trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp và các trường dạy nghề. Để theo kịp thời đại công nghệ, trường Đại Học Nha Trang đã không ngừng nâng cao chất lượng dạy và học, đồng thời không ngừng nâng cấp trang thiết bị hiện đại cho các phòng thí nghiệm. Để đáp lại sự quan tâm của nhà trường đối với Bộ môn, Bộ môn Động lực thuộc Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy đã giao cho tôi thực hiện đề tài:“ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử cho phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực ” Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm : Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU Chương 2 : CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO CHI PHI NHIÊN LIỆU Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Trong thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cùng các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn các phòng ban trong nhà trường cùng các bậc đàn anh đã hỗ trợ tôi hoàn thành đề tài này. Đặt biệt tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Th.s Đoàn Phước Thọ đã theo sát , hướng dẫn tận tình khi tôi thực hiện đề tài. - 2 - ĐẶT VẤN ĐỀ Mục đích, ý nghĩa của việc đo chi phí nhiên liệu. Trong tổ chức vận hành động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu là một thông số quan trọng đánh giá chất lượng và hiệu quả sử dụng động cơ. Bản thân giá trị thông số này mang rất nhiều thông tin quan trọng mà qua đó đánh giá được tình trạng kỹ thuật động cơ, chất lượng vận hành, hiệu quả tổ chức khai thác,…vv. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e được xác định theo công thức: Ne G g e = Ở đây: G- lượng chi phí nhiên liệu trong một giờ, kg/h. Ne- công suất có ích. Mặt khác để đánh giá hiệu suất có ích của động cơ e η khi biết nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q H và suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e . Có thể xác định hiệu suất có ích e η của động cơ bằng công thức sau: He e Qg . 632 = η Như vậy muốn đánh giá tính kinh tế của động cơ thông qua g e và hiệu suất có ích e η không có cách nào khác là phải đo lượng tiêu thụ của nhiên liệu G. Mặt khác, đo lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ còn nhằm đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ, trạng thái kỹ thuật của các hệ thống phục vụ như hệ thống nhiên liệu, làm mát, dầu nhờn… trạng thái kỹ thuật của vỏ tàu và chân vịt, trên cơ sở các số đo ấy mà có biện pháp khắc phục những trục trặc của động cở và các hệ thống phục vụ nó. - 3 - Sự cần thiết của của bộ đo chi phí nhiên liệu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực. Phòng thí nghiệm là nơi đo đạc một cách chính xác các thông số kỹ thuật của động cơ sau khi chế tạo hoặc sau khi sửa chữa lớn nhằm mục đích lập lại hồ sơ cho máy trong qua trình đưa vào vận hành khai thác chúng. Những thông số được đo đạc cụ thể là: o Công suất động cơ. o Momen tải động cơ. o Chế độ nhiệt của hệ thống làm mát. o Chế độ nhiệt của hệ thống bôi trơn. o Suất tiêu hao nhiên liệu. o Mức tiêu hao dầu bôi trơn. o Hệ số nạp không khí. o Thành phần khí xả. Qua những thông số trên tùy vào điều kiện yêu cầu mà ta có thể xác lập cho máy những thông số cụ thể mà ta có thể áp dụng nhằm mục đích khai thác tối đa hiệu quả sử dụng máy. Trên thế giới, phòng thí nghiệm động cơ được xây dựng ở hầu hết các hãng sản xuất động cơ, các nhà máy, công ty sửa chữa,… Trong những nơi ấy trang thiết bị rất đầy đủ và hiện đại qua đó các thông số được cập nhật một cách chính xác. Tại Việt Nam hiện nay, các phòng thí nghiệm vẫn thiếu thốn về trang thiết bị, tính công nghệ còn rất thấp. Trong quá trình hội nhập đòi hỏi công nghệ của chúng ta phải hiện đại, máy móc phải có tính chính xác cao. Với mục tiêu đào tạo và nuôi dưỡng những sinh viên có chất lượng nhằm đáp ứng với mọi nhu cầu của xã hội nói chung và ngành Thủy sản nói riêng, Trường Đại Học - 4 - Nha Trang đã và đang xây đựng cho riêng mình những kế hoạch mang tính đột phá về chất lượng. Đối với ngành động lực, tuy là một ngành có tính truyền thống của nhà trường ngay từ những ngày đầu thành lập, nhưng trang thiết bị phục vụ cho công tác học tập vẫn còn hạn chế. Vấn đề thực tiễn và nâng cao còn nhiều vướng mắc do thiếu thiết bị hỗ trợ giảng dạy chuyên ngành. Sinh viên ra trường còn thiếu khả năng thích ứng với dụng cụ kiểm tra đo đạc và máy móc hiện đại. Chính vì lẽ đó mà cần phải có bộ đo chi phí nhiên liệu bằng thiết và các thiết bị hiện đại khác tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực. Từ đây, phòng thí nghiệm bộ môn Động lực sẽ có bước đột phá về trang thiết bị và công nghệ. Đối với sinh viên đây là cơ hội tốt cho việc thực tập, lĩnh hội kiến thức sẽ nhanh chóng, và nâng cao khả năng thích ứng với trang thiết bị hiện đại, tạo bước đi vững chắc khi vào nghề. Tuy nhiên, do quy mô và kinh phí còn hạn chế nên trang thiết bị không được hiện đại so với những nơi khác. Mục tiêu của đề tài . Qua tình hình thực tế của trang thiết bị sẵn có, sự thiếu hoàn chỉnh của một số thiết bị đo đạc và đứng trước nhu cầu cấp thiết, vì vậy đề tài được đặt ra với mục tiêu “Chế tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử phù hợp nhất cho phòng thí nghiệm động cơ Bộ môn động lực.” Phạm vi nghiên cứu của đề tài. Trong bài toán xây dựng bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử phục vụ cho nhu cầu giảng dạy của giảng viên và học tập của sinh viên, nên phạm vi nghiên cứu thuộc quy mô nhà trường. - 5 - CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU Việc xác định lượng tiêu hao nhiên liệu được dựa trên các phương pháp đo sau: o Phương pháp đo trọng lượng. o Phương pháp đo thể tích. 1.1. Phương pháp đo thể tích. Trong quá trình tiến hành thử nghiệm hầu hết các trường hợp người ta dùng phương pháp thể tích. Số lượng nhiên liệu sử dụng của động cơ được đo theo sự thay đổi mức nhiên liệu trong két đo nhờ những thiết bị đo. Trong phương pháp đo thể tích thì có phương pháp đo mức và phương pháp đo lưu lượng. 1.1.1. Phương pháp đo mức a) Đo mức chất lỏng bằng tia γ . Mức chất lỏng trong các bồn chứa có áp suất rất cao hay có thép chảy lỏng có thể xác định bằng tia γ . Người ta chiếu trực tiếp tia γ của một chất phóng xạ lên trên bồn chứa và có độ suy giảm của tia γ sau khi đi qua bồn chứa. b) Xác định mức chất lỏng bằng cách đo áp suất Chất lỏng trong một bồn chứa không chịu tác dụng dưới một áp suất cho ta áp suất dưới đáy bồn p h , như thế người ta có thể xác định mức chất lỏng. p h = ρ .g.h ⇒ g p h h . ρ = ⇒ V = S.h ρ là tỉ trọng chất lỏng. g là gia tốc trọng trường. h là chiều cao của chất lỏng. S là diện tích mặt cắt ngang của bồn chứa. c) Đo mức chất lỏng bằng nhiệt điện trở PTC. - 6 - Mức chất lỏng ( xăng, dầu…) có thể kiểm soát bằng điện trở PTC. Điện trở PTC được nối tiếp với một điện trở R và cả hai chịu dưới một điện áp 24V. Sự thay đổi điện trở PTC làm dòng điện thay đổi theo. Kết quả là đo được mức chất lỏng có trong bình chứa. d) Đo mức bằng quang điện tử. Một LED hồng ngoại phát tia sáng theo một thanh thủy tinh và đến đầu vạt nhọn của thanh thủy tinh nó bị phản xạ và chiếu lên một photodiot. Trong trường hợp đầu nhọn của thanh thủy tinh được bao quanh bởi môi trường chất lỏng, do sự sai biệt chiết suất giảm đi, ánh sáng được phát ra môi trường nhiều hơn, photodiot nhận ra ít ánh sáng hơn. Điện áp rơi trên photodiot gia tăng, một bộ so sánh sẽ làm transistor dẫn điện. Khi tín hiệu được truyền đến vi xử lý ta sẽ biết được mức nhiên liệu có trong bồn chứa. e) Đo mức chất lỏng với sóng vi ba. Sóng vi ba là sóng có tấn số trải dài từ 300 kHz đến 300 GHz. Với tần số 10 GHz sóng vi ba có chiều dài sóng khoảng 30 mm. Để đo mức chất lỏng ta cần một phần phát và một phần thu sóng vi ba với hệ thống FMCW ( Frequency Modulated Continuos Wave). Trong hệ thống này tần số được biến điệu trong X-Band từ 8,5 GHz đến 9,5 GHz. Một radar phát đi tín hiệu vi ba được biến điệu tần số tuyến tính với biên độ cố định. Tín hiệu này được phản hồi từ mặt chất lỏng. Tín hiệu phản hồi được thu lại sau thời gian t 0 được trộn với một phần của tín hiệu phát. Tần số giữa (hiệu số tần số) được lọc và tần số này tỉ lệ trực tiếp với thời gian t 0 , do vậy nó là thước đo chính xác khoảng cách đến môi trường cần đo. Từ đây ta có thể đo được mức chất lỏng. f) Xác định mức chất lỏng bằng sự dẫn nhiệt. Một dây điện trở được quấn bên trong một cột có chứa chất dẫn nhiệt và được đặt vuông góc với mặt cắt ngang của bồn chứa. Một dòng điện cố định nung nóng dây điện trở này. Dây điện trở có 2 vai trò : dây nung và cũng là cảm biến nhiệt. Điện trở của dây nung tùy thuộc vào cảm biến chung quanh và điều kiện dẫn nhiệt của môi trường. Với - 7 - điện thế Usens và cường độ dòng điện ta có được của dây nung. Điện trở suất của kim loại tùy thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. )](1[ 00 TTRR −+= γ Lúc ban đầu dây nung có cùng nhiệt độ với môi trường bên ngoài. Khi nung nhiệt độ dây nung gia tăng và như thế điện trở dây nung cũng tăng, công suất nung cũng tăng do sự dẫn nhiệt qua môi trường xung quanh có một trị số giới hạn. National Semiconductor Corp đã phát triển IC LM1042 dùng để xác nhận mức chất lỏng bằng sự dẫn nhiệt. 21 )( V L LL V L L V AA ∆ − +∆=∆ V ∆ là điện áp qua điện trở. L là mức chất lỏng ban đầu. L A là mức chất lỏng mất đi. 1.1.2. Phương pháp đo lưu lượng, sau đó cộng dần. Theo phương pháp đo lưu lượng ta có thể tính được thể tích trên một đơn vị thời gian: tQV v . = V là thể tích cần tính (m 3 ). Q V là lưu lượng tính bằng thể tích trên một đơn vị thời gian (m 3 /s). t là thời gian chất lỏng chảy qua tiết diện (s). a) Đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi Nguyên lý làm việc Một trong những phương pháp khá phổ biến để đo lưu lượng chảy trong đường ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp. Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, được đặt trong đường ống tạo nên điểm thắt dòng chảy cục bộ trong đường ống dẫn. Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy. - 8 - Hai bên thiết bị thu hẹp xuất hiện áp suất ΔP phụ thuộc vào lưu lượng của dòng chảy. Giá trị ΔP = P 1 – P 2 gọi là hiệu áp suất do thiết bị thu hẹp tạo ra (H.2-1). Khi chất lỏng không bị nén, công thức tính lưu lượng có dạng: ).( 2 210 PPFq −= ρ α (m 3 /s) Khi chất lỏng bị nén, công thức tính lưu lượng là : ).( 2 . 210 PPFq −= ρ εα (m 3 /s) Trong đó : α : là hệ số lưu lượng (phụ thuộc vào các tỷ số về diện tích của dòng, của ống và tổn thất áp suất). ε : là hệ số nén (đặc trưng cho tính chất thay đổi thể tích chất lỏng khi áp suất thay đổi). ρ : là mật độ dòng chảy (kg/m 3 ). H.1-1: Sơ đồ dòng chảy và phân bố áp suất trên thành ống - 9 - H.1-2 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo lưu lượng Hệ thống đo lưu lượng Hệ thống đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi bao gồm : thiết bị thu hẹp để chuyển tín hiệu lưu lượng sang tín hiệu áp suất, thiết bị chuyển đổi tín hiệu áp suất sang dạng tín hiệu cần thiết thích hợp với thiết bị chỉ thị đo, thông thường nó là tín hiệu điện và phần tử cuối cùng là thiết bị chỉ thị đo. H.1-3 : Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống đo lưu lượng hiện đại - 10 - H.2-3 mô tả sơ đồ khối cấu trúc hệ thống đo lưu lượng hay được sử dụng hiện nay. Cấu trúc của nó bao gồm : cảm biến đo là thiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lưu lượng q sang hiệu áp suất ΔP. Thiết bị chuyển đổi II chuyển tín hiệu hiệu áp suất ΔP sang tín hiệu dòng chuẩn điện áp một chiều (0÷5mA; 0÷20mA; 4÷20mA). Phần tử III là bộ xử lý tín hiệu, thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tín hiệu dòng nhận được sang tín hiệu áp chuẩn (0÷5V hoặc 0÷10V một chiều), sau đó nó xác định giá trị lưu lượng tức thời q trên cơ sở điện áp U và các thông số của công thức tính lưu lượng. Đồng thời nó cũng tính tổng lượng vật chất chảy qua đường ống qua công thức tích phân : ∫ = qdtQ (2.13) Các giá trị Q và q được hiển thị bằng số trên bảng số. Ưu điểm của thiết bị này là khi truyền tín hiệu dòng, có thể truyền đi xa mà không bị tổn thất trên đường dẫn. Nhưng nhược điểm là khi đánh giá sai số đo của hệ thống rất phức tạp vì giá trị nhiệt độ và áp suất của dòng chảy thực khác với điều kiện tính toán và thường phải sử dụng thêm các thiết bị hiệu chỉnh. b) Đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi Nguyên lý làm việc Từ công thức ).( 2 . 210 PPFq −= ρ εα ta thấy lưu lượng của dòng chảy khi đi qua bộ phận thu hẹp của dòng chảy tỷ lệ với căn bậc hai của hiệu áp suất hai bên bộ phận thu hẹp và tỷ lệ bậc nhất với diện tích thoát của dòng chảy tại vị trí thu hẹp. Nghĩa là : PFCq ∆= với C – là hệ số tỷ lệ Như vậy, nếu tạo ra được thiết bị thay đổi được F khi q thay đổi và đảm bảo được ΔP=const thì sẽ có mối liên hệ gần như tuyến tính giữa q và F. Lưu lượng của dòng chảy được xác định thông qua giá trị diện tích F. Thiết bị dựa trên nguyên lý này gọi là rôtamét. [...]... trong điều khiển người ta lấy thêm các thiết bị điều khiển từ xa là van điều khiển điện từ: Sơ đồ nguyên lý: - 25 - H.2-2: Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng van điều khiển điện từ Trong đó: 1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí nghiệm 2: đường cấp nhiên liệu 7: cân đo nhiên liệu 3: két nhiên liệu hằng ngày 8: đường cấp nhiên liệu cho máy 4: van khóa 9: động cơ 5: van ba ngã điều khiển. .. ÁN ĐO CHI PHI NHIÊN LIỆU 2.1 Phân tích các phương án đo chi phí nhiên liệu Để lựa chọn một phương pháp đo chi phí nhiên liệu tối ưu cho phòng thí nghiệm, cần phải xem xét và phân tích các phương án sẵn có trước đó 2.1.1 Phương án đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng Sơ đồ nguyên lý : H.2-1: Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng Trong đó : 1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí. .. cấp cho động cơ (9) vừa cung cấp cho két thí nghiệm (6) Theo cách 2: theo cách này, van ba ngã (5) không nhận được điện nhiên liệu được cấp từ két thí nghiệm (6) vào động cơ Sau khi nhiên liệu đi vào động cơ lượng nhiên liệu hồi sẽ được đưa trở lại két thí nghiệm theo đường dầu hồi (10) qua bộ làm mát dầu (7) Dựa vào mức nhiên liệu trong - 32 - két thí nghiệm( 6) mà ta có thể xác lập lượng nhiên liệu. .. trí 2 (VT2) nhiên liệu được cung cấp từ két thí nghiệm (6) vào động cơ - 29 - Sau khi nhiên liệu đi vào động cơ lượng nhiên liệu hồi sẽ được đưa trở lại két thí nghiệm theo đường dầu hồi (10) Để khắc phục tình trạng giãn nở vì nhiệt của nhiên liệu sau khi qua động cơ ta bố trí trên đường dầu hồi một bộ phận làm mát nhiên liệu trước khi về két thí nghiệm Dựa vào mức nhiên liệu trong két thí nghiệm (6)... đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu phối hợp giữa kiểu đo thể tích với đo khối lượng Trong đó : 1: két dự trữ nhiên liệu 7: đường cấp nhiên liệu cho máy 2: đường cấp nhiên liệu 8: động cơ 3: két nhiên liệu hằng ngày 9: đường dầu hồi 4: van khóa 10: đòn gánh 5: van ba ngã điều khiển điện từ 11: đối trọng vỏ bình 6: két thí nghiệm 12: đối trọng thủy lực Nguyên lý hoạt động: - 34 - Nhiên liệu được bơm... đưa về vị trí 1 (VT1) nhiên liệu vừa cung cấp cho động cơ (9) vừa cung cấp cho két thí nghiệm (6) Theo cách 2: theo cách này, van ba ngã (5) được đưa về vị trí 2 (VT2) nhiên liệu được cung cấp từ két thí nghiệm (6) vào động cơ Sau khi nhiên liệu đi vào động cơ lượng nhiên liệu hồi sẽ được đưa trở lại két thí nghiệm theo đường dầu hồi (10) Dựa vào mức nhiên liệu trong két thí nghiệm hiển thị trên cân... (3) nhiên liệu được cung cấp vào két thí nghiệm (6) và động cơ (8) (khi van điện từ nhận được tín hiệu điện ) và ngừng cấp nhiên liệu khi van điện từ không nhân được tín hiệu điện. Nhờ hệ thống đòn bẩy mà ta có thể xác định được lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Sau khi nhiên liệu qua động cơ lượng dầu hồi sẽ trở về ngay két thí nghiệm mà không qua thiết bị nào Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo H.2-8:... toán thiết kế lắp đặt hệ thống làm mát dầu hồi • Vẫn phải sử dụng đồng hồ và đo thời gian bằng phương pháp thủ công dẫn đến nhiều sai lệch Để đơn giản trong điều khiển người ta lấy thêm các thiết bị điều khiển từ xa là van điều khiển điện từ: Sơ đồ nguyên lý: - 31 - H.2-6: Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu theo thể tích van điều khiển điện từ Trong đó: 1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí nghiệm. .. cấp nhiên liệu 7: bình làm mát dầu hồi 3: két nhiên liệu hằng ngày 8: đường cấp nhiên liệu cho máy 4: van khóa 9: động cơ 5: van ba ngã điều khiển điện từ 10: đường dầu hồi Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu được bơm cấp lên két trực nhật (3) theo đường dẫn (2) Tại đây nhiên liệu đi vào động cơ (9) theo hai cách sau (van khóa đã mở) : Theo cách 1: theo cách này, van ba ngã (5) được cấp điện nhiên liệu. .. lượng Trong đó : 1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí nghiệm 2: đường cấp nhiên liệu 7: cân đo nhiên liệu 3: két nhiên liệu hằng ngày 8: đường cấp nhiên liệu cho máy 4: van khóa 9: động cơ 5: van ba ngã điều khiển tay Nguyên lý hoạt động: 10: đường dầu hồi - 24 - Nhiên liệu được bơm cấp lên két trực nhật (3) theo đường dẫn (2) Tại đây nhiên liệu đi vào động cơ(9) theo hai cách sau (van khóa đã mở) : Theo